增材制造是基于分層制造原理發(fā)展而來的先進(jìn)制造技術(shù)，是信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的產(chǎn)物，被視為支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級與創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。增材制造，作為全球范圍內(nèi)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命中至關(guān)重要的一部分，被認(rèn)為是現(xiàn)代科技發(fā)展中一項核心及顛覆性技術(shù)，已逐漸成為當(dāng)今世界各國對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點。本次全國科普日活動，將對增材制造如何推動航空航天制造技術(shù)變革進(jìn)行全面解讀。
增材制造及其優(yōu)勢
增材制造的國際發(fā)展態(tài)勢
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縱觀人類歷史，以在制造過程中材料質(zhì)量的增加或減少為標(biāo)準(zhǔn)，迄今主要有三種制造工藝：等材制造、減材制造與增材制造。增材制造是第三代制造工藝，其技術(shù)原理類似于燕子銜泥造窩，材料從下往上疊加累積，最終造出三維物體。中國政府印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017—2020年）》指出，“增材制造是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術(shù)。”② 這也是目前國際上關(guān)于增材制造的公認(rèn)定義。
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增材制造目前的國際發(fā)展態(tài)勢主要表現(xiàn)在四個方面。第一，得到了世界上主要工業(yè)國家的普遍關(guān)注與高度認(rèn)可。面對增材制造的種種優(yōu)勢與巨大發(fā)展前景，世界主要工業(yè)國家紛紛將其視為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，把推動本國增材制造發(fā)展上升到了國家戰(zhàn)略層面。美國拜登政府2022 年10 月發(fā)布《先進(jìn)制造國家戰(zhàn)略》，強(qiáng)調(diào)要發(fā)展和運用先進(jìn)制造技術(shù)，其中就包括增材制造。2019 年2月，德國發(fā)布的《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030：對于德國和歐洲產(chǎn)業(yè)政策的戰(zhàn)略指導(dǎo)方針》將增材制造列為十大關(guān)鍵工業(yè)部門之一。早在2014 年6月，日本內(nèi)閣出臺的《制造業(yè)白皮書》就將增材制造作為今后本國制造業(yè)的重點發(fā)展領(lǐng)域。是年8月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省出臺《制造業(yè)革命技術(shù)》，將增材制造作為優(yōu)先扶持對象。
增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 更多
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增材制造在航空發(fā)動機(jī)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用
先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)朝著高推質(zhì)比、高可靠性、長壽命和經(jīng)濟(jì)可承受性的方向發(fā)展，苛刻且相互矛盾的指標(biāo)要求航空發(fā)動機(jī)關(guān)重件構(gòu)型復(fù)雜、輕質(zhì)高效。傳統(tǒng)的“減材”制造技術(shù)面臨生產(chǎn)周期長、成品率低、制造成本高等挑戰(zhàn)，成為制約先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研發(fā)的瓶頸。變革性的“近凈成形”增材制造技術(shù)，因具有一體化成形、無需模具、制造成本低等優(yōu)點，最早被美國聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）嘗試用于渦輪葉盤一體化制造，隨后通用電氣（GE）、羅爾斯-羅伊斯（RR）等航空發(fā)動機(jī)企業(yè)也開始應(yīng)用增材制造技術(shù)加工或修復(fù)零部件。
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增材制造鎳基高溫合金在航天構(gòu)件領(lǐng)域的典型應(yīng)用
相較于航空領(lǐng)域，航天領(lǐng)域?qū)τ诟邷睾辖鸩考闹圃煲蟾涌量蹋尸F(xiàn)出更加復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、一體化等趨勢。以高性能液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室為例，其部件往往暴露在高熱、負(fù)荷等工作環(huán)境中，因此需要進(jìn)行高效率的冷卻。傳統(tǒng)的減材或等材加工技術(shù)無法勝任此類獨特且巧妙的冷卻系統(tǒng)的制備。
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金屬增材制造在直升機(jī)中的應(yīng)用前景
結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計技術(shù)，又稱創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)被證實是一種高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在航空航天結(jié)構(gòu)輕量化、高性能設(shè)計領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但受限于現(xiàn)有加工技術(shù)，其實際應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。郭文杰等對某型無人機(jī)翼梁結(jié)構(gòu)開展剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度設(shè)計要求，同時減重達(dá)到6%。胡添翼等對飛機(jī)典型雙耳結(jié)構(gòu)連接件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，如圖4所示，優(yōu)化后的雙耳結(jié)構(gòu)連接件滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，且可減重26.8%。
總結(jié)
在航空航天應(yīng)用方面，增材制造技術(shù)具有單件小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造的優(yōu)勢，當(dāng)前多型重點裝備的關(guān)鍵零部件（例如鉸鏈、支架、內(nèi)部組件、發(fā)動機(jī)部件等）均已實現(xiàn)增材制造技術(shù)的工藝替代及應(yīng)用，其應(yīng)用正加速向終端零件制造、產(chǎn)品修復(fù)再制造、商業(yè)化應(yīng)用等方面深化發(fā)展，在太空制造、新型空天裝備等研究中也將提供重要支撐作用。
隨著增材制造在更多領(lǐng)域應(yīng)用場景的普及與推廣，增材制造的成本在不斷降低，加之增材制造本身的技術(shù)優(yōu)勢帶來的不可替代性越來越強(qiáng)，基于增材制造技術(shù)的新應(yīng)用、新產(chǎn)品越來越多，增材制造將獲得更廣闊的增量市場。預(yù)計，2023年航空航天批量化生產(chǎn)將持續(xù)增加，鑄造、消費電子將成為新的增長點。